Д.т.н. Голубев В.Г., к.т.н. Садырбаева А.С., магистр Байботаева С.Е., магистр Охапова К.Т., магистр Амантаева Д.Б., Торебекова А.М.

Южно-Казахстанский государственный университет им. М.Ауэзова

 

Исследование гидродинамики контактных устройств аппаратов для очистки попутного нефтяного газа

 

Основными гидродинамическими параметрами, определяющими  работу массообменных контактных устройств, являются: предельная скорость газа, гидравлическое сопротивление, поверхность контакта фаз [1,2].

Тарельчатая колонна, как и любой противоточный аппарат, не может работать при любых нагрузках по газу и жидкости. Существует область устойчивой работы,  ограниченная как минимальными, так и максимальными нагрузками.

На рисунке 1 представлен диапазон устойчивой работы тарелки (заштрихован), ограниченный снизу неравномерной работой тарелки, а сверху - чрезмерным уносом жидкости. Нагрузка по жидкости выражается через интенсивность жидкостного потока L/b (горизонтальная ось), а нагрузка по газу - через скорость газа в полном сечении колонны wR или через фактор газовой нагрузки:

                                  F = wк                                                   (1)

где: ρg - плотность газа (пара).

При больших нагрузках по жидкости диапазон устойчивой работы тарелки может ограничиваться областью захлебывания.

Это явление заключается в том, что нарушается нормальная работа сливного устройства; оно не может пропустить возросший поток жидкости и происходит затопление колоны

Эксплуатация реальных промышленных абсорбционных колонн осуществляется в условиях постоянного отношения газового (парового) и жидкого потоков, т. е. при L/G = const, поэтому если увеличивается нагрузка по газу, то соответственно возрастает нагрузка по жидкости.

Рабочую скорость принимают равной   0,7- 0,8 от Wk max.

Минимально допустимую скорость Wk  min определяют по эмпирическим формулам. При расчете колонн  Wk  min  не представляет большого интереса, поскольку соотношение Wk  max / Wk  min  довольно велико и составляет 4-5.

Гидравлическое сопротивление тарелки складывается из следующих параметров [3,4]:

ΔР = ΔРс +ΔРп-ж +ΔРσ                                              (2)

Рисунок 1 – Диапазон устойчивой работы тарелки.

 

1. Сопротивление сухой тарелки [3]:

, Па                 (3)

где:  Fc – живое сечение тарелки, м2;

ξр – коэффициент сопротивления при внезапном расширении потока:

ξр = 0,8 при Fc = 0,1 м2; ξр = 0,64 при Fc = 0,2 м2.

d – диаметр отверстия или ширина щели, м;

δ – толщина тарелки, м;

w0 – скорость пара в живом сечении, м/с;

ρр – плотность пара, кг/м3;

Re – критерий Рейнольдса для пара.

2. Сопротивление парожидкостного столба:

, Па,                              (4)

где:  w – скорость в полном сечении, м/с;

hп – высота слоя пены, м;

Fr -  критерий Фруда;

                                                    (5)

dэ – эквивалентный диаметр отверстий, м.

3. Сопротивление от поверхностного натяжения:

 , Па                                            (6)

где: σ – поверхностное натяжение, Н/м.

Абсорбция является процессом обмена массой вещества между соприкасающимися фазами, для ее описания используются закономерности массообменных процессов. 

Общим для процессов является то, что в них участвуют две фазы (может быть и больше), причем компонент (компоненты) переходит из одной фазы в другую через границу раздела фаз. Обычно в массообменных процессах различают три стадии:

1) перемещение компонента из ядра отдающей фазы к границе раздела; 

2) переход компонента через границу раздела фаз;

3) перемещение компонента от границы раздела фаз в объем ядра принимающей фазы.

При абсорбции процесс протекает на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорберы должны иметь развитую межфазную поверхность.

Поверхность контакта фаз в абсорберах создаётся за счёт фиксированной поверхности: либо зеркала жидкости (собственно поверхностные абсорберы), либо текущей плёнки жидкости (плёночные абсорберы), то есть поверхность контакта фаз в аппарате в известной степени определяется площадью элемента аппарата (например, насадки), хотя обычно и не равна ей.

Для увеличения удельной поверхности контакта фаз одну из фаз диспергируют в объеме другой фазы.

Однако, не следует стремиться к максимально возможной величине межфазной поверхности. Она должна быть оптимальной, так как слишком сильное диспергирование одной из фаз приводит, обычно к уносу ее из аппарата и другим нежелательным эффектам.

Таким образом, в ходе исследования определен диапазон устойчивой работы контактных тарелок, а также можно отметить, что наличие высокоразвитой поверхности не гарантирует высокой скорости процесса. Эта поверхность должна обладать работоспособностью. Накопление продуктов реакции на поверхности контакта фаз часто является причиной уменьшения скорости процесса, в таком случае для поддержания работоспособности поверхности на протяжении всего процесса необходима организация ее постоянного обновления.

 

Литература:

 

1.   Рамм  В. М., Абсорбция газов.- М.: Химия, 1976. – 656 с.

2.   Кафаров В.В., Основы массопередачи.-М: Высшая школа, 1979. – 439 с.

3.   Плановский А.Н., П.И. Николаев П.И., Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. – М.: Химия, 1987.

4.   Голубев В.Г., Садырбаева А.С., Байботаева С.Е. Исследование гидродинамических характеристик орошаемой контактной тарелки с закрученным газовым потоком. // Научный журнал Вестник Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. – 2013. – ІІ часть. - №4 (95). – С. 45-48.